22.01.2019

Wie Moleküle im Laserfeld wippen

Verfahren kann Moleküldynamik aus der Perspek­tive ver­schie­dener Beob­achter­atome abbilden.

Wenn Moleküle mit dem oszillierenden Feld eines Lasers wechsel­wirken, wird ein unmittel­barer, zeit­ab­hängiger Dipol indu­ziert. Dieses sehr uni­ver­selle physi­ka­lische Prinzip liegt viel­fältigen Phäno­menen zu Grunde. Hierzu zählen sowohl optische Pinzetten als auch die räum­liche Aus­ric­htung von Mole­külen mit Hilfe eines Laser­feldes. Jetzt berichten Wissen­schaftler vom Max-Born-Institut für nicht­lineare Optik und Kurz­zei­tspektro­skopie von einem Experi­ment, das die getriebene Dipol-Antwort im Detail unter­sucht. Dabei werden ver­schie­dene elek­tro­nische Zustände in einem Methyl­iodid-Molekül auf­ge­löst.

Abb.: Experimentell gemessene transiente Ver­ände­rung der Absorp­tion im...
Abb.: Experimentell gemessene transiente Ver­ände­rung der Absorp­tion im XUV in der Spektral­region. Wohl­aus­ge­prägte Oszil­la­tionen, mit der doppelten Laser­frequenz und damit kürzer als ein optischer Zyklus, sind beob­acht­bar in der Spektral­region der Kern-zu-Rydberg-Über­gänge, während die Kern-zu-Valenz-Über­gänge nur schwach vom Feld beein­flusst werden. Der beob­ach­tete Effekt kann auf die höhere Polari­sier­bar­keit der Rydberg­zustände zurück­ge­führt werden, welcher die Laser-Materie-Wechsel­wirkung begünstigt. (Bild: MBI Berlin)

Es handelt sich um die erste Studie eines mehratomigen Moleküls mittels tran­sienter Absorp­tions­spektro­skopie auf Atto­sekunden-Zeit­skalen, kurz ATAS. In einem ATAS-Experi­ment wird die Absorp­tion von Photonen im extremen ultra­violetten Spektral­bereich XUV, die Bestand­teil eines iso­lierten Atto­sekunden­pulses oder Puls­zuges sind, in der gleich­zeitigen Anwesen­heit eines inten­siven infra­roten Laser­felds unter­sucht. Dabei wird die Ver­zöge­rung zwischen Atto­sekunden­puls und Infra­rot­feld systema­tisch vari­iert. Indem ein solches Experi­ment mit Mole­külen durch­ge­führt wurde, konnten die Forscher vom MBI ein System unter­suchen, in dem Über­gänge von den Atom­kernen in die Valenz­schale und Über­gänge von den Atom­kernen in die Rydberg­schale spektral unmittel­bar benach­bart sind.

„Zunächst waren wir überrascht festzustellen, dass das Infra­rot­feld des Lasers vor allem auf die schwachen Kern-Rydberg-Über­gänge einen Ein­fluss hat, während die starken Kern-Valenz­über­gänge, die die Absorp­tion im Methyl­iodid-Molekül bestimmen, auf das Feld wenig ansprechen”, sagt Lorenz Drescher vom MBI.

Begleitende numerische Simulationen zeigten, dass die Rydberg­zustände die laser­indu­zierte Absorp­tion auf­grund ihrer hohen Polari­sier­bar­keit domi­nieren. Inte­res­sant ist auch, dass die nun vor­ge­stellte Studie einen Aus­blick in die Zukunft bietet. „Wenn man mit dem XUV-Spektrum ver­schie­dene Absorp­tions­kanten abdeckt, kann unsere Methode Molekül­dynamik aus der Perspek­tive ver­schie­dener Beob­achter­atome inner­halb eines Moleküls abbilden”, erklärt Jochen Mikosch vom MBI. „Mit der Etab­lie­rung von Atto­sekunden-XUV-Quellen im spektralen Wasser­fenster wird ATAS von licht­indu­zierten Wechsel­wirkungen in Mole­külen ver­mut­lich ein Werk­zeug werden, um ultra­schnelle Phänomene in orga­nischen Mole­külen zu unter­suchen.” In diesem Wellen­längen­bereich gibt es Über­gänge von Kern­zu­ständen in Stick­stoff-, Kohlen­stoff- und Sauer­stoff­atomen.

FV Berlin / RK

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